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09

2021

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有機催化燃燒法在噴漆有機廢氣治理中應(yīng)用研究

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，應(yīng)用噴漆工藝的化工、汽車、機械、電子產(chǎn)品、船舶等行業(yè)也隨之不斷壯大。噴涂過程中排放的有機廢氣對周圍環(huán)境甚至人類健康帶來危害，噴漆廢氣主要以三苯為主，有些還兼具酯類、醚類、酮類等組分。這些揮發(fā)性有機物輕則使人頭痛惡心，重則抽搐昏迷，傷害人體免疫系統(tǒng)。為有效解決這些問題，國家及部分省市已頒布一系列法律法規(guī)和大氣環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)限制和治理廢氣產(chǎn)生的危害。

　　隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，應(yīng)用噴漆工藝的化工、汽車、機械、電子產(chǎn)品、船舶等行業(yè)也隨之不斷壯大。噴涂過程中排放的有機廢氣對周圍環(huán)境甚至人類健康帶來危害，噴漆廢氣主要以三苯為主，有些還兼具酯類、醚類、酮類等組分。這些揮發(fā)性有機物輕則使人頭痛惡心，重則抽搐昏迷，傷害人體免疫系統(tǒng)。為有效解決這些問題，國家及部分省市已頒布一系列法律法規(guī)和大氣環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)限制和治理廢氣產(chǎn)生的危害。

　　一、慨述

　　催化燃燒是典型的氣—固相催化反應(yīng)，它在催化劑的作用下降低反應(yīng)的活化能，使其在較低的起燃溫度250～350℃下進(jìn)行無焰燃燒，在固體催化劑表面有機物質(zhì)發(fā)生氧化，同時產(chǎn)生CO2 和H2O，并放出大量的熱量，因其氧化反應(yīng)溫度低，所以大大地抑制了空氣中的N2形成高溫NOx。而且由于催化劑有選擇性催化作用，有可能限制燃料中含氮化合物的氧化過程，使其多數(shù)形成分子氮。

　　二、催化噴漆廢氣的成分及危害

　　在噴漆涂裝過程中高壓空氣噴射的油漆絕大部分停留在工件上，其他未到達(dá)噴涂表面的噴霧微粒與溶解噴漆微粒的水珠懸浮在空氣中，以及噴涂過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性有機化合物形成噴漆廢氣污染環(huán)境。由于不同油漆涂料所用溶劑不同，因而在噴涂過程中產(chǎn)生的廢氣組分也不同。以汽車噴涂為例檢測標(biāo)準(zhǔn)，不同油漆以及采用不同工藝生產(chǎn)的涂料其VOCs 成分及比例也大不相同。[1]某規(guī)模較大汽車涂料企業(yè)中發(fā)現(xiàn)VOCs 主要成分為乙酸仲丁酯、甲基異丁酮、甲苯、乙酸丁酯、乙苯和二甲苯，且二甲苯和乙酸丁酯所占比例接近50%。某工業(yè)園有關(guān)涂料的眾多企業(yè)時檢測出苯、甲苯、二甲苯和正乙烷為VOCs主要成分。研究涂裝排放VOCs 特征譜后得出其主要VOCs 依次為乙酸乙酯、乙苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯和乙酸丁酯等。噴漆廢氣對人類危害不容忽視，散發(fā)在空氣中的漆霧經(jīng)呼吸道吸入后會引發(fā)急慢性中毒，損害人體的神經(jīng)和造血系統(tǒng)。吸入高濃度的苯、甲苯、乙酸乙酯等廢氣短時間內(nèi)會抑制人的記憶力、注意力和感覺運動速度，長時間接觸會對肝臟造成毒性反應(yīng)，甚至對中樞神經(jīng)造成破壞。

　　三、噴漆廢氣處理技術(shù)

　　噴涂廢氣不僅含有揮發(fā)性有機物，還包含噴涂過程中懸浮在空氣中的漆霧，漆霧會影響后續(xù)有機廢氣處理，所以噴漆廢氣凈化前需要去除其中的漆霧，以便對其中揮發(fā)性有機物凈化治理。

　　1、濕式凈化法。濕式凈化法是依據(jù)相似相溶原理，通過溶劑吸收噴漆廢氣中的漆霧，常用的處理法。

　　(1)水簾式凈化法。水簾式凈化法是經(jīng)過水泵循環(huán)噴淋產(chǎn)生流動的簾狀水層，水幕捕集飛散的漆霧，一般大型水簾式噴漆室將水簾斜坡放置在室底，通過專用循環(huán)水泵調(diào)節(jié)水簾形狀，當(dāng)噴漆氣流通過水簾時，漆霧被附著留下。工業(yè)上常見的水簾式噴漆室設(shè)備主要由噴漆室室體、漆霧凈化器、水氣分離器、水過濾器、水循環(huán)管、照明裝置、風(fēng)機、水泵及電器控制系統(tǒng)等部分組成。水簾式凈化法可有效降低噴漆廢氣中漆霧的排放量，操作方便，結(jié)構(gòu)簡單。但水幕凈化產(chǎn)生含有漆霧的廢水，需廢水處理防止二次污染;對于大型水簾噴漆室，大面積水簾會增大室內(nèi)空氣濕度，影響工人工作環(huán)境和涂層質(zhì)量。

　　(2)無泵水幕式凈化法。無泵水幕式凈化法是利用空氣誘導(dǎo)提水形成水幕，當(dāng)噴漆廢氣與水幕碰撞后，水幕截留霧狀微粒及其攜帶油漆的水珠;然后廢氣穿過水簾進(jìn)入氣水?dāng)嚢柰ǖ?，在通道中與水混合;進(jìn)入集氣箱后由于氣速降低發(fā)生氣液分離，凈化后的氣體排放到大氣中，被分離的水在集氣箱中匯集流向溢水槽，再通過泛水板形成水幕，循環(huán)重復(fù)凈化噴漆廢氣，相對于水簾式凈化法，無泵式凈化法去除了水泵設(shè)備，優(yōu)化了凈化流程，節(jié)約成本和占地面積，同時克服了漆霧黏附管道內(nèi)壁導(dǎo)致水泵阻塞的現(xiàn)象。

　　2、干式凈化法。干式凈化法是將噴漆廢氣進(jìn)入過濾器，利用濾層阻留噴漆廢氣中的漆霧和顆粒物，常用玻璃纖維棉、爐渣等作為濾料。過濾法可以去除大部分漆霧，并對其中的揮發(fā)性有機物進(jìn)行少量吸附。該方法無二次污染，不產(chǎn)生廢水;缺點是過濾不夠徹底，對設(shè)備污染嚴(yán)重，易堵塞。從表5 可以看出，相對于濕式凈化法，干式凈化法在性能上不夠穩(wěn)定，但由于美國等已將濕式凈化排放的含涂料廢水視為危險廢棄物，企業(yè)開始放棄濕式凈化法，轉(zhuǎn)而使用沒有廢水排出的干式凈化法。

　　三、有機廢氣的凈化處理

　　經(jīng)去除漆霧處理后的噴涂廢氣主要含有揮發(fā)性有機物，其處理技術(shù)包括傳統(tǒng)凈化技術(shù)、新型凈化技術(shù)和復(fù)合型凈化技術(shù)。燃燒法是將噴漆廢氣中的有機物燃燒氧化，轉(zhuǎn)換成CO2 和H2O 無害物質(zhì)達(dá)到廢氣凈化目的。燃燒法可分為直接燃燒法、熱力燃燒法、催化燃燒法、蓄熱燃燒法等類型。

　　1、直接燃燒法。高濃度可燃有機廢氣宜采用直接燃燒法。直接燃燒法需要足夠高溫度，并保證燃燒空間內(nèi)擁有足夠氧氣。若氧氣量不足則燃燒不完全;若氧氣量過多，會使可燃物濃度不在著火界限范圍內(nèi)導(dǎo)致不完全燃燒。為防止氣體爆炸，一般在鍋爐或敞開的燃燒器中燃燒廢氣，燃燒溫度大于1100℃;但當(dāng)燃燒不完全時，會導(dǎo)致一些污染物和煙塵排放到大氣中，同時燃燒的熱能無法回收，造成燃料能量損失。

　　2、熱力燃燒法。低濃度可燃有機廢氣可采用熱力燃燒法處理。濃度低可燃性物質(zhì)導(dǎo)致在燃燒過程中不足以釋放支持整個燃燒過程所需的能量，因此需加輔助燃料作為助燃?xì)怏w，通過燃燒助燃?xì)怏w提高熱量，使廢氣達(dá)到反應(yīng)溫度并充分燃燒，熱力燃燒法溫度一般在500～900℃范圍內(nèi)，低于直接燃燒法溫度。

　　3、催化燃燒法。催化燃燒法被視為處理VOCs 的一種高效技術(shù)，在催化劑作用下VOCs 可在較低溫度下(通常為200～400℃)氧化生成無污染的CO2 和H2O。催化燃燒法無二次污染，工藝操作簡單，安全性高，起燃溫度低;但催化劑性能優(yōu)劣決定VOCs 凈化效果，因此，高性能催化劑選擇和研究開發(fā)是高效新型催化燃燒法，處理高濃度、小風(fēng)量有機廢氣可采用催化燃燒法，但噴漆廢氣風(fēng)量大、VOCs 濃度一般低于300mg/m3，不太適合處理噴漆廢氣。

　　4、蓄熱燃燒法。當(dāng)有機廢氣濃度不高時，常規(guī)的熱力燃燒和催化燃燒不足以維持自燃，需要額外補充大量熱能，因此宜采用蓄熱燃燒。目前應(yīng)用的蓄熱燃燒器分兩種：蓄熱式熱力燃燒反應(yīng)器(RTO)和蓄熱式催化燃燒反應(yīng)器(RCO)。對于RTO 裝置，一般由蓄熱式換熱器、熱力燃燒室和切換閥門組成，常見的基本形式有二室、三室和多室RTO。二室RTO在進(jìn)行閥門切換過程中會發(fā)生管道殘留有機廢氣同凈化后的廢氣一同排放問題，導(dǎo)致在凈化周期內(nèi)有一半以上時間內(nèi)無法實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，凈化效率低于80%;三室RTO 在二室RTO 的基礎(chǔ)上增加了沖洗室，解決了廢氣未處理就排出問題，但閥門過多很難實現(xiàn)同步切換，使未處理廢氣同凈化氣體混合，無法實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放;對于多室RTO 亦是如此。RCO 裝置一般由蓄熱催化爐和旋轉(zhuǎn)換向閥組成，蓄熱催化爐內(nèi)分隔成多個蓄熱催化室，有機廢氣通過旋轉(zhuǎn)換向閥的進(jìn)氣口進(jìn)入蓄熱催化室中加熱，待氣體溫度達(dá)到200～500℃后通過另一個蓄熱催化室，在催化劑作用下得到凈化并釋放熱量，凈化后的高溫氣體被蓄熱體吸收能量并降低溫度，最后通過旋轉(zhuǎn)換向閥的排氣口排出，蓄熱燃燒技術(shù)優(yōu)勢在于凈化效率高、無二次污染，同時實現(xiàn)能量回收，節(jié)約燃料，具有良好應(yīng)用前景。

　　選擇合適工藝治理噴漆廢氣污染很有必要，干式凈化漆霧過濾效率較低，應(yīng)用范圍較窄;濕式凈化前期設(shè)備投資較高，但性能穩(wěn)定、凈化效率高、運行成本較低，大部分企業(yè)選用該方法。 隨著科技不斷進(jìn)步和實驗研究的不斷深入，噴漆廢氣治理由單一凈化工藝向多種工藝結(jié)合的方向發(fā)展，在發(fā)揮不同工藝優(yōu)勢的同時，也規(guī)避單一工藝的不足，最大程度提高噴漆廢氣的處理效率。